Holdbare alumina‑nanopartikler øker levetiden til perovskitt‑solceller 10‑fold

Et team av innovative forskere har nettopp publisert en studie som demonstrerer hvordan alumina‑nanopartikler kan forlenge levetiden til solcellepaneler ti‑fold. Etter hvert som det globale samfunnet nærmer seg målet om netto‑null karbonutslipp i løpet av de neste tiårene, er det et sterkt press for å få fornybar energi inn på markedet. Fornybare energialternativer som vindmøller og solcellepaneler tilbyr en pålitelig, ren energiløsning. Imidlertid er ikke disse enhetene perfekte, og deres ytelse forringes over tid.

Typer solcellepaneler

Solcellepanelteknologien fortsetter å utvikle seg. I dag finnes det fire hovedtyper solcellepaneler på markedet: PERC, monokrystallinsk, polykrystallinsk og tynnfilm‑paneler. Disse alternativene har sine fordeler og ulemper når det gjelder effektivitet, levetid, størrelse og holdbarhet.

PERC  (Passivert emitter og bakcelle)

PERC‑solcellepaneler integrerer et dobbel‑lag design for å maksimere effektiviteten. Merk at denne typen panel kan oppnå +20 % effektivitet med dette oppsettet. Den gir middels holdbarhet og levetid. Imidlertid er den det dyreste alternativet på listen, noe som gjør den lite egnet for de fleste huseiere.

Monokrystallinsk

Monokrystallinske paneler er et annet dyrt alternativ som gir 20 % effektivitet. Dette panelet bruker silisiumkrystall som basismateriale. Oppsettet gir den lengste levetiden av de fire alternativene, men det øker også den totale kostnaden for disse panelene.

Kilde – ACS

Polykrystallinsk

Polykrystallinske paneler bygges ved å smelte sammen silisiumfragmenter. Denne tilnærmingen senker produksjonskostnadene, noe som gjør dette alternativet mer rimelig. Imidlertid er disse enhetene større enn sine motparter og er mindre effektive. I de fleste tilfeller har de en gjennomsnittlig effektivitet på 15 %.

Tynnfilm‑paneler

Tynnfilm‑paneler gir den laveste effektiviteten, men gir mest fleksibilitet og rimelighet. Dette er panelene du ser på bobiler og andre områder med begrenset plass. Tynnfilm‑paneler kan lages av ulike materialer. To vanlige alternativer er CdTe (Kadmutellurid) og a‑Si (amorf silisium).

Perovskitt‑solceller (PSC‑er)

Perovskitt‑solceller er den mest avanserte typen solcellepanel som brukes i dag.  Disse silisiumbaserte panelene gir høy effektivitet fra en lett og kompakt form. For å oppnå dette inkorporerer de selv‑monterte monolag (SAM‑er) for å forbedre ytelsen uten å øke prisene.

Problemer med PSC‑er

PSC‑er har fortsatt mange ulemper. For det første lider de av jodlekkasje, lik andre panelalternativer. Genereringen av molekylært jod skjer over tid på grunn av kjemiske reaksjoner i disse materialene, noe som forverrer nedbrytningsprosessen og reduserer ytelsen.

Studie av alumina‑nanopartikler

Ved å erkjenne mangelen på forståelse av hvordan molekylære modifikatorer påvirker de nanoskalale elektriske og elektroniske egenskapene til perovskitten og enhetens stabilitet, foreslo ingeniører fra University of Surrey en ny metode for å forbedre levetiden og ytelsen til disse enhetene.
Rapporten “Improved stability and electronic homogeneity in perovskite solar cells via a nanoengineered buried oxide interlayer“¹ publisert i EES Solar avdekker de indre mekanismene i disse materialene under nedbrytningsprosessen, og gjør det mulig for ingeniører å bedre forstå overflatemodifikatorer og hvordan de kan brukes til å forbedre fremtidige enheter. Som en del av studien begynte teamet med å teste holdbarheten til de viktigste solcellepaneltypene mot hverandre.

PFN–Br

Dette polymerelektrolyttet brukes vanligvis i PSC‑er. Det gir pålitelig ytelse og middels levetid. Teamet bestemte seg for å bruke dette materialet da det anses som det mest avanserte på dagens marked.

Alumina (Al₂O₃)‑nanopartikler

Ingeniørene utviklet alumina (Al₂O₃)‑nanopartikler som en del av forskningen. Disse små partiklene ble designet for å fange jod som frigjøres i solpanelet over tid. Målet var å hindre at jod lekker ut i resten av cellen og forringer ytelsen.

2D‑perovskitter

For å løse oppgaven laget ingeniørene en 2D‑perovskitt‑barriere mot fuktighet. Denne barrieren hindret at eksterne materialer kom inn i panelet og forårsaket nedbrytning. Denne strategien økte panelets pålitelighet og holdbarhet.

Alumina‑nanopartikler‑test

For å teste teorien måtte ingeniørene sette panelene i virkelige forhold. Som en del av testfasen laget teamet ekstreme varme‑ og fuktighetsscenarier. Panelene ble deretter plassert i disse områdene og testet. Ved hjelp av røntgen‑fotoelektronspektroskopi (XPS) fulgte teamet nøye med på utviklingen av nedbrytende celler under belastende forhold.

Kelvin‑probe‑kraft‑mikroskopi

Deretter brukte ingeniørene et Kelvin‑probe‑kraft‑mikroskop for å overvåke påvirkningen av modifikatorene på overflaten og den elektroniske homogeniteten i friske og nedbrutte prøver. KPF‑mikroskopet ble brukt til å analysere den overfladiske elektroniske homogeniteten i perovskitt‑filmer. Dette hjalp forskerne med å forstå hvordan alumina‑nanopartikler bidrar til forbedret stabilitet og redusert nedbrytning, i stedet for å observere deres drift direkte.

Stabilitetstesting

Stabilitetstesting involverte å se hvordan det innkapslede fuktighetsbarrièrlaget holdt seg under intense forhold. Enhetene ble periodisk testet etter hver eksponering syklus. Denne strategien gjorde det enklere for forskere å foreta direkte sammenligninger av hver celle.

Resultater fra alumina‑nanopartikler‑test

Testresultatene viser stort potensial for denne teknologien. For det første produserte cellene bygget med alumina‑nanopartikler mer energi og kunne gjøres lettere. Disse enhetene viste høy ytelse med minimal nedgang i kraftproduksjon registrert over 1 530 timer med testing.

Spesielt viste de nanopartikkel‑infunderte enhetene en 10‑fold lengre levetid enn forgjengerne. Ingeniørene fant at Al₂O₃‑nanopartiklene også bidro til en mer ensartet perovskittstruktur. Denne forbedrede arkitekturen ga færre feil og økt elektrisk tilkobling.

Imponerende skapte nanopartiklene en 2D‑beskyttende belegg som hindret fuktighet i å trenge inn i enhetene. Tester viste en lav vannpermeasjonsrate på omtrent 4 × 10⁻³ g per m² per dag. Dermed er de nye enhetene bedre egnet for ugunstige værforhold og permanente installasjoner.

Fordeler med alumina‑nanopartikler

Det finnes en lang liste med fordeler som gjør alumina‑nanopartikler til et fornuftig alternativ til andre valg. For det første gir de høy effektivitet fra en liten formfaktor. De med begrenset plass, som urbane tak, vil få mer ut av disse panelene.

Lengre levetid

Å legge til solenergi i hjemmet eller bedriften er ikke billig. Det er vanlig at et system koster mer enn $50 000. Enhver teknologi som kan forbedre levetiden til disse enhetene og redusere kostnadene, vil sannsynligvis bli raskt tatt i bruk på markedet.

Billigere å bygge

En annen hovedfordel ved å lage alumina‑nanopartikler‑paneler er at de koster mindre å produsere når man tar hensyn til deres potensielle økning i levetid. Etter hvert som solcellepaneler blir mer avanserte, har trenden vært at nyere versjoner koster betydelig mer enn forgjengerne. Dette siste vitenskapelige gjennombruddet kan snu denne trenden og la produsenter tilby bedre produkter til en lavere pris.

Forskere bak alumina‑nanopartikler

Studien om alumina‑nanopartikler ble presentert av et team av ingeniører fra University of Surrey. Den oppgir W. Hashini K. Perera som hovedforfatter, sammen med et team av samarbeidspartnere fra National Physical Laboratory og University of Sheffield. Nå ønsker teamet å videreutvikle forskningen sin for å forbedre solcellepaneler med mål om å raffinere teknologien nok til å produsere kommersielle produkter innen 2‑5 år.

Selskaper som leder solcellepanelmarkedet

Kappløpet mot ren energi har ført til fremveksten av flere bemerkelsesverdige solcellepanelprodusenter og markedsaktører. Fra de som utvikler ny teknologi til arbeiderne som installerer panelene, fortsetter sektoren å vokse. Her er et selskap som er posisjonert til å utnytte ethvert stort gjennombrudd innen solteknologi og øke avkastningen.

First Solar, Inc.

First Solar Inc. (FSLR ) entrerte markedet i 1999 med mål om å levere pålitelige solsystemer til det globale markedet. Det er verdt å merke seg at selskapet ble omdøpt fra Solar Cells som en del av firmaets skifte mot fotovoltaiske celler (PV). For tiden har selskapet hovedkontor i Tempe, Arizona, og tilbyr et bredt utvalg av solenergiløsninger.

Det er verdt å merke seg at First Solar er den eneste store amerikanske leverandøren av solsystemer som ikke benytter kinesisk produksjon. Selskapet lager sine tynnfilm‑kadmutellurid (CdTe)‑paneler i USA. I tillegg var First Solar blant de første selskapene som leverte pålitelige kadmutellurid (CdTe)‑solmoduler til markedet.